Plan the Mission: 위성 운영 및 훈련 - Ansys 솔루션 개요

미션 설계와 운영의 복잡성은 혁신적인 솔루션을 요구합니다. Ansys는 첨단 모델링, 분석 및 훈련 기능을 통합한 최첨단 시뮬레이션 소프트웨어를 제공하여 조직이 궤적을 탐색하고, 궤도를 결정하고, 통신 시스템 성능을 분석하고, 스테이션 유지 주기를 계획하고, 결합 분석을 수행할 수 있도록 지원합니다.

James Webb Space Telescope의 성공 사례

• Design Reference Missions

- L2(라그랑주 점)에서의 중력 섭동을 고려하여 station-keeping 요구사항을 추정함

• 궤도 결정

- 궤도 상에서 정밀한 추적 및 위치 측정을 보장함

• 태양 복사압 모니터링

- 궤도 추정 및 제어를 위해 대형 태양 차폐막에 작용하는 태양광의 압력을 모델링함

• 열 해석

- 우주에서 망원경 구성 요소가 작동 가능한 온도를 유지하도록 보장함

• Mirror Alignment

- 18개의 도금된 거울 세그먼트가 하나의 정밀 거울처럼 작동하도록 보장함

https://www.ansys.com/blog/designing-the-james-webb-space-telescope-with-simulation

디지털 미션 운영: 라이프사이클 관점

성과를 보장하기 위해서는 현재의 태도 정확성을 평가해야 합니다.

우주선 운영

• 우주 도메인 인식
• 위성 상태 모니터링
• 임무 및 기동 계획
• 위성 충돌 방지
• 운영 워크플로우 교육

Ansys 기술을 사용한 운영 워크플로우

• 궤도 섭동(예: 차등 항력, 태양 복사압, 중력 퍼텐셜 차이)에도 불구하고 군집 내에서 상대적인 위치를 유지해야 합니다.
• 신호 간섭과 잠재적 충돌을 완화하면서 글로벌 커버리지와 서비스 연속성을 보장해야 합니다.
• 전력 시스템, 통신, 센서 및 페이로드를 포함한 군집 상태 관리를 해야 합니다.
• 우주 파편 및 기타 위성으로부터 보호하기 위한 충돌 회피 전략 구현을 해야 합니다.

솔루션

• Satellite Collection Object는 매우 대규모의 위성 군집(constellation)을 효율적으로 모델링할 수 있습니다.
• 통합 분석 도구(Integrated Analysis Tools)를 통해 전체 위성 군집에 대한 접근성 분석, 커버리지, 충돌 분석(conjunction analysis), 통신 성능 등을 종합적으로 평가할 수 있습니다.

  
  

• Astrogator를 통해 개별 위성의 궤도 제어 및 관리가 가능합니다.
  

이점

• 궤도 유지보수 및 충돌 위험 평가부터 센서 및 간섭 분석까지 하나의 도구로 효율적인 군집을  관리합니다.
• 사용자는 위성 수집 객체를 개별 위성으로 올려 자동화된 스테이션 유지, 드리프트 보정, 충돌 회피 계획과 같은 추가 분석을 수행할 수 있습니다.
• 예기치 않은 사건 발생 시 trade study 및 비상 계획을 실행할 수 있는 능력이 있습니다.

우주선 운영

추적 데이터를 통한 우주선 상태 추정

도전

• 위성의 위치에 대한 정확한 지식은 과거 데이터 분석과 미래 임무 계획 모두에 필수적입니다.
• 추적 데이터를 통해 위성의 상태를 추정하는 것은 소음, 오류, 추적 시스템의 편향 및 환경 영향으로 인해 어렵습니다.

솔루션

• 포괄적인 추적 데이터 처리 – ODTK는 지상 및 우주 기반 추적기에서 다양한 유형의 추적 데이터를 처리할 수 있습니다.
• 초기 상태 추정 방법 - 필터를 초기화하기 위한 초기 궤도 결정(IOD) 및 최소 제곱 기법을 포함합니다. 
• 고급 필터링 기법 – 최적의 데이터 처리를 위해 여러 필터 유형과 일치하는 스무더를 활용합니다.
• 모든 궤도 체제에서 입증됨 – 초저궤도(VLEO)에서 GEO, cis-lunar, 달, 행성 간 궤도에 이르기까지 계획 및 운영에 성공적으로 사용됩니다.

이점

• 측정 편향, 대기 밀도, 태양 복사압 등 다양한 불확실성 요소와 현실적인 공분산을 반영하여 정확한 궤도 예측을 제공합니다.
• 궤도 기동 중에도 추적 데이터를 처리할 수 있으며, 기동 추정 및 정밀 보정 기능을 지원합니다.
• 심층 분석을 위한 보고 및 그래프 라이브러리가 포함되어 있습니다.
• 운영 워크플로우 및 Trade Study에 맞춰 자동화할 수 있습니다.

위성 및 추적 시스템 보정

도전

• 센서, 소프트웨어 및 처리 시스템을 보정하여 위치, 속도 및 궤적을 정확하게 측정함으로써 정확하고 신뢰할 수 있는 추적 데이터를 보장해야 합니다.
• 드리프트, 바이어스 및 노이즈를 고려하여 초기 보정 및 주기적 재보정을 통해 센서 성능을 시간에 따라 유지해야 합니다.
• 각 추적 스테이션마다 범위, 도플러, 방위각/고도각 등 여러 측정 유형을 개별적으로 보정해야 합니다.
• 광범위한 보정 작업에 필요한 컴퓨팅 성능, 인력 작업량 및 운영 시간을 관리하여 리소스 효율성을 최적화해야 합니다.

솔루션

• 측정 데이터를 처리하여 추적소의 확률적 파라미터를 추정합니다.
• 사용 가능한 경우 정밀 기준 천체력(reference ephemeris)과 비교하여 보정 정확도를 향상시킵니다.
• GPS 또는 ILRS로 추적된 위성과 같은 특성이 잘 정의된 객체를 사용하여 추적소의 특성을 분리하고 미세 조정합니다.
• 추적기의 성능이 일관된다고 가정할 수 있다면 여러 위성의 데이터를 결합하여 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

이점

• 편향을 해결하고 센서 모델을 개선하여 측정 정확도를 향상시킵니다.
• 재조정 노력을 줄여 운영 효율성을 최적화합니다.
• 최첨단 순차 필터와 매칭된 스무더로 고정밀 처리를 활용합니다.
• 실제 데이터를 기반으로 센서 매개변수를 지속적으로 미세 조정하여 장기적인 신뢰성을 가능하게 합니다.

접근 분석 및 완화 조치

도전

• 우주선 발사 및 운영은 다른 우주 물체와의 잠재적인 결합으로 인해 점점 더 위험해지고 있습니다.
• 접합 위험의 적시 감지 및 완화는 임무 성공에 매우 중요합니다.

솔루션

• Advanced Conjunction Analysis Tool (AdvCAT)은 기본(primary) 객체와 하나 이상의 보조(secondary) 객체 간의 근접 접근 분석을 수행하며, 단일 위성부터 전체 TLE 데이터베이스에 이르기까지 적용 가능합니다.
• Launch Window Analysis Tool은 TLE 데이터베이스 내의 어떤 객체와의 잠재적 접근을 피하기 위해, 안전한 발사 기회와 블랙아웃 기간을 식별합니다.
• LaserCAT은 안전한 레이저 발사 시간을 계산하고, 근접한 객체에 대한 잠재적인 레이저 조사(lasing) 위험을 평가합니다.
• Nonlinear Probability Tool은 필요한 경우 고급 비선형 계산 기법을 통합하여 기존의 선형 접근 분석을 향상시킵니다.
• Astrogator는 접근 상황을 완화하기 위한 기동 전략을 설계할 수 있으며, 해당 전략은 AdvCAT을 사용하여 재평가 및 검증이 가능합니다.

이점

• 최종 단계 근접 계산 전에 궤도 요소를 사전 필터링하여 고속 계산을 가능하게 합니다.
• 우주선 궤도를 위한 TLE 데이터베이스 또는 사용자 정의 천체 관측 데이터와의 원활한 통합을 합니다.
• 불확실성 타원체를 직관적으로 3D 시각화하여 상황 인식을 개선합니다.
• 의사 결정을 지원하기 위한 포괄적이고 맞춤화 가능한 보고서와 그래픽 출력합니다.

기동 탐지 및 위협 평가

도전

• 우주선 기동을 탐지하고 분석해야 합니다.
• 기동 의도 및 잠재적 영향을 특성화해야 합니다.
• 해당 기동이 다른 위성에 충돌 위험을 초래하는지 평가해야 합니다.
• 회피 조치가 필요한지 여부를 결정해야 합니다.

솔루션

• 궤도 결정 처리를 사용하여 궤적 편차를 식별합니다.
• 여러 가설을 시험하고 최적의 일치를 정밀화하여 기동을 특성화합니다.
• 갱신된 천체력을 생성하여 기동 이후 궤도를 예측합니다.
• 변경된 궤도로부터의 접근 위험을 평가합니다.
• 기동의 잠재적 목표를 식별합니다.
• 충돌 확률을 최소화하기 위해 회피 기동을 계획합니다.

이점

• 지속적인 추적 유지와 의사결정 지원을 위한 신속한 기동 특성화를 합니다.
• 우주 객체에 대한 포괄적인 위협 및 취약성 평가를 합니다.
• 임무 안전을 위한 최적화된 회피 기동 계획을 합니다.

페이로드 및 지상국 스케줄링

도전

• 위성 임무의 성공을 극대화하기 위해 효율적인 작업 관리가 필요합니다.
• 높은 우선순위의 작업은 반드시 수행되어야 하며, 가능한 한 많은 낮은 우선순위의 작업도 수용해야 합니다.
• 스케줄링은 데이터 수집, 업로드/다운로드, 운영 인력과 같은 상호 연결된 작업들을 고려해야 하며, 배터리 전력이나 사전 요구 작업과 같은 자원 제약도 감안해야 합니다.
• 스케줄은 신호 품질 유지를 위해 변화하는 날씨, 태양 활동, 환경 요인에 적응할 수 있어야 합니다.

솔루션

• STK 객체 통합 – STK Scheduler는 접근, 조명, 궤도 이벤트와 같은 계산된 간격을 포함하여 STK 객체를 스케줄링 자원으로 가져와 자원 가용성을 정의합니다.
• 유연한 스케줄링 알고리즘 – 여러 내장 알고리즘을 제공하며, 사용자 정의 솔루션도 추가할 수 있습니다.
• 사용자 정의 가능한 스케줄링 지표 – 우선순위, 작업 수, 지속 시간 등의 요소를 기반으로 맞춤형 집중 기준을 설정할 수 있는 구성 가능한 성능 지표(Figure of Merit)를 제공합니다.
• 포괄적인 스케줄 검증 – 수용 가능성, 시간 슬롯/지속 시간 충돌, 용량 초과 여부를 확인하여 준수 여부를 보장합니다.
• 완전한 API – 더 큰 시스템과의 원활한 통합 및 일일 스케줄링 자동화를 지원합니다.

이점

• 모든 임무 작업에 대해 자산 스케줄링을 최적화합니다.
• Ansys Systems Tool Kit® (STK®)에서의 시각화를 포함하여, 간트 차트, 히스토그램, 보고서를 통한 통합된 결과를 제공합니다.
• 복잡한 다중 위성 및 위성군(constellation) 스케줄링 문제를 효율적으로 해결하며, 처리 시간을 수 시간에서 수 분으로 단축합니다.

On-orbit 서비스

도전

• 서비스를 제공하는 우주선에 안전하게 접근하고 이탈해야 합니다.
• 발사, 궤도 상승, RPO 접근, 도킹, 이탈을 포함한 전체 서비스 임무를 계획해야 합니다.
• 두 위성 간의 정밀한 상대 궤도 정보를 유지해야 합니다.
• 엔진 고장 발생 시에도 충돌을 방지할 수 있도록 기동을 보장해야 합니다.

솔루션

Astrogator를 사용하여 정밀한 접근 및 이탈 계획을 위한 RPO 시퀀스를 설계하고 실행합니다.

엔진 고장 시에도 충돌이 발생하지 않도록 수동 안전(passive safety)을 검증합니다.

ODTK를 통해 추적 데이터를 기반으로 현실적인 상대 공분산을 계산하여 정확한 위치를 유지합니다.

다양한 이상(anomaly) 시나리오 하에서 임무 성공 가능성을 평가하기 위해 트레이드 스터디를 수행합니다.

이점

• 사전 구축된 RPO 시퀀스를 전체 서비스 임무에 원활하게 통합합니다.
• 여러 우주선을 위한 추적 데이터를 동시에 처리하고, 절대 및 상대 공분산을 모두 생성합니다.